Vatten som kommer ut från en vanlig kran berättar en komplex berättelse om sin resa genom ett rör. Vid höga hastigheter, kranens strömmande ström är turbulent:kaotisk, oordnat - som havsvågornas krasch.

Jämfört med ordnade laminära flöden, som kranens stadiga ström vid låga hastigheter, forskare vet lite om turbulens. Ännu mindre är känt om hur laminära flöden blir turbulenta. En blandning av ordnade och orörliga flöden, övergångsflöden uppstår när vätskor rör sig med mellanhastigheter.

Nu, Dr Rory Cerbus, Dr Chien-chia Liu, Dr Gustavo Gioia, och Dr Pinaki Chakraborty, forskare vid Fluid Mechanics Unit och Continuum Physics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), har hämtat från en decennier gammal konceptuell teori om turbulens för att utveckla en ny metod för att studera övergångsflöden. Forskarnas fynd, publicerad i Vetenskapliga framsteg , kan hjälpa till att ge en mer omfattande, konceptuell förståelse av övergångs- och turbulenta flöden, med praktiska tillämpningar inom teknik.

"Turbulens brukas ofta vara det sista olösta problemet i klassisk fysik - det har en viss mystik om det, "sade Cerbus." Och ändå, under idealiserade förhållanden, vi har en konceptuell teori som hjälper till att förklara turbulenta flöden. I vår forskning, Vi strävar efter att förstå om denna begreppsteori också kan belysa övergångsflöden. "

Att hitta ordning i oordning

Forskare har länge fängslats av turbulenta flöden. Under femtonde århundradet, Leonardo da Vinci illustrerade turbulenta flöden som samlingar av virvlande virvlar, eller cirkulära strömmar, av olika storlekar.

Årtionden senare 1941, matematikern Andrey Kolmogorov utvecklade en konceptuell teori som avslöjade ordning som ligger bakom energin hos till synes störda virvlar.

Som skildras i DaVincis skiss, en bäck som störtar ner i en vattenpöl bildar initialt en stor, virvlande virvel, som snabbt blir instabil och bryts sönder till successivt mindre virvlar. Energi överförs från de stora till allt mindre virvlar, tills de minsta virvlarna sprider energin via vattnets viskositet.

Fånga denna bild på matematikens språk, Kolmogorovs teori förutsäger energispektrumet, en funktion som beskriver hur rörelseenergin - energin från rörelse - fördelas över virvlar av olika storlekar.

Viktigt, teorin säger att energin hos de små virvlarna är universell, vilket betyder att även om turbulenta flöden kan se annorlunda ut, de minsta virvlarna i alla turbulenta flöden har samma energispektrum.

"Att sådana enkla koncept elegant kan belysa ett till synes svårlöst problem, Jag tycker att det verkligen är extraordinärt, sa Chakraborty.

Men det finns en fångst. Kolmogorovs teori anses allmänt endast gälla en liten uppsättning idealiserade flöden, och inte vardagens flöden, inklusive övergångsflödena.

För att studera dessa övergångsflöden, Cerbus och hans medarbetare utförde experiment med vatten som rinner genom en 20 meter lång, 2,5 cm diameter cylindriskt rör i glas. Forskarna tillade små, ihåliga partiklar med ungefär samma densitet som vatten, så att de kan visualisera flödet. De använde en teknik som kallas laser Doppler -hastighet för att mäta virvlarnas hastigheter i övergångsrörflödena. Med dessa uppmätta hastigheter, de beräknade energispektrumet.

Förvånande, forskarna fann att, trots att det tycks skilja sig från turbulenta flöden, energispektrumet som motsvarar de små virvlarna i övergångsflödena överensstämde med det universella energispektrumet från Kolmogorovs teori.

Utöver att ge en ny konceptuell förståelse av övergångsflöden, denna upptäckt har tillämpningar inom teknik. Under de senaste två decennierna har Gioia och Chakrabortys forskning har visat att energispektra kan hjälpa till att förutsäga friktion mellan flödet och röret - ett stort problem för ingenjörer. Ju mer friktion i ett rör, desto svårare är det att pumpa och transportera vätskor som olja.

"Vår studie kombinerar esoteriska matematiska idéer med faktorer som ingenjörer bryr sig om, "sa Chakraborty." Och, vi har funnit att Kolmogorovs teorier har en bredare tillämpbarhet som någon trodde. Detta är en spännande ny inblick i turbulens såväl som övergången till turbulens. "